2023 02月23日
作者: 小白哥
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手机设计中的ESD防护措施

手机设计中,ESD防护设计可细分为板级防护设计、系统级防护设计、整机级防护设计和制造工艺级防护设计。各级防护措施需要一起导入,任何环节防护不到位都会影响整机防护性能。手机中ESD的放电模型一般为人体放电模型,要根据人体放电模型的特性采取应对措施。板级防护设计需从电路设计、器件布局、走线规则等方面实施相应对策。

1.电路设计

(1)电源网络上多并联电容,以稳定电源、滤除杂波、消除ESD干扰;(2)外设接口信号添加ESD保护器件,如压敏电阻或TVS管;(3)高速数字信号接口使用EMI器件,既有抗EMI特性又有抗ESD冲击特性,如LCD、Camera接口;(4)在电路允许的情况下增加RC滤波网络,滤除ESD放电时的尖峰脉冲;(5)在不影响电路正常工作的通路上串联电阻,抑制ESD出现的瞬间高电压冲击。

2.器件布局

第一,静电均由外部人或物靠近、接触整机外壳造成,并通过外壳缝隙或外壳外设接口进入机体内部。因此,外设信号的ESD抑制器件要靠近相应外设接口摆放,比如电池座、耳机座、听筒、喇叭、USB接口、T_Flash卡座和SIM卡座等。第二,系统重要芯片(如CPU、Memory、PMU等)摆放于PCB板中央位置,避免受到ESD 冲击。如果正反双面摆放,要避免重叠放置,确保各芯片回流路径(GND信号)通畅且最短。第三,重点保护的敏感信号(包括复位信号、时钟信号、模拟信号)远离物理外设接口,避免接口处串入的ESD脉冲直接放电或辐射至敏感信号,造成系统工作错误。

3.走线规则

(1)重点保护系统或功能模块中关键信号(如RESET复位信号)及CLK(时钟信号),以防系统死机或时序错乱;(2)外设接口附近加大铺铜(GND信号)面积,PCB板中铺地可以加大电荷回流路径,降低回流阻抗,使静电电荷更易通过铺铜导入系统地信号平面;(3)接口附近做漏铜处理,去除PCB板接口附近表层的绿油层,便于静电直接对地放电,不影响其他信号及器件;(4)设计PCB板板层结构时,为确保系统地信号平面稳定,至少单独拿出一层作为地平面(一般为两层),此地层不走任何其他信号线,其他层走完信号线后会做铺铜处理,确保板子所有空隙均被信号填充,所有信号被地保护,所有信号回流路径最短;(5)板子上多打地孔,且要打入主地层,根据法拉第笼屏蔽原理,板子边沿一圈表层需打地孔到主地,形成一环装地屏圈层,配合主板与外壳接地措施,提高系统ESD性能的可靠性;(6)ESD器件PIN脚接地,要打大孔到主地,保证对地回流通畅。在确保板级防护措施实施的基础上,必须配合软件设计确保系统级防护设计。

4.软件设计

第一,设置软件状态反馈机制,实时监测系统状态,如有异常及时复位;第二,系统软件设置看门狗计时器,防止软件"跑飞",如ESD放电时系统电压出现跳变,导致系统错乱,可由“看门狗”及时复位系统;第三,针对各功能模块设计和模块状态监测机制,实时监测模块状态,如有异常及时复位。比如,LCD受到ESD冲击时出现花屏或黑屏现象,系统实时监测屏驱动IC寄存器状态,发现异常立刻复位驱动IC。TP(触摸屏)在ESD放电期间极易出现触点乱跳现象,系统监测到TP寄存器出现异常后,及时复位刷新寄存器状态。

5.结构设计

第一,结构外壳尽可能保证完全密封。一般静电放电时火花通过外壳缝隙进入机器内部,传导至PCB板,造成器件损坏或系统工作异常。第二,结构件、外壳与主板之间尽可能没有空隙。空隙是造成尖端放电的条件,没有空隙即没有静电放电条件。要做到这点,结构设计要恰当,需要采用绝缘材料或导电材料(具体材料需要根据实际情况确定)进行填充或密封。第三,塑胶外壳需保证完全密封,金属外壳需保证外壳与主板充分接地,设计之初预留接地点,且接地点表面要做腐蚀处理,避免金属表面氧化后影响导电性,并利用加导电海绵增加导电性。第四,用屏蔽罩保护关键及敏感器件,比如主控芯片、存储器芯片等。

6.工艺把控

(1)主板不易与外壳相连的区域要用导电胶带连接到外壳,将静电电荷导出至外壳;(2)采用导电胶带连接不同区域,尤其是接地不充分区域,防止出现电弧放电。比如,采用多个分离小板设计时,各小板之间接地不充分,易形成信号孤岛,此时需加强地信号路径。

7.ESD测试

ESD测试是手机设计时最后验证设计效果、确保设计达标的重要环节。为了实现及时验证并尽早导入措施,需在不同设计阶段进行ESD测试。第一,单板测试。单板设计阶段要测试不同设计批次。单板测试主要是在地平面(GND)上放电,测试主板地连接的充分性,只有地信号稳定才能保证系统其他信号稳定。第二,整机测试。外壳制作完成且组装成整机后进行测试,机壳六个面均要进行放电测试,尤其是有外设接口的区域,比如USB接口、耳机、听筒和按键等。第三,接口测试。每个外设接口都要测试,ESD放电枪尽可能直接放电到接口内信号PIN上,测试实际信号端的抗ESD能力。



  

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